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8/16/2019 Articulo Control operacional.docx

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Incremento de la efciencia estacional de los usossignifcativos de energia mediante el controloperacional del desempeño energético.

Juan Carlos Campos Avella; Herlin Moreno Puello;Lourdes Meriño Stand

Introduccin

La efciencia energética de los equipos mayores consumidoresde energia en las empresas puede ser determinada de dos

ormas, mediante la efciencia en condiciones estacionarias o

instantánea o mediante la efciencia estacional u operacional.

La efciencia en condiciones estacionarias considera que los

parámetros operacionales del equipo son constantes en el

tiempo y por lo tanto no es capaz de determinar la inuenciade la variabilidad operacional y el estado técnico del equipo

en el incremento de su demanda de energia. Por ello un

análisis de la efciencia en condiciones estacionarias casi

siempre resulta en medidas de cambios tecnológicos del

equipo para reducir su demanda y muy pocas vecesrecomienda meoras del control operacional o de la gestión

del mantenimiento.

La efciencia estacional del equipo es aquella que tiene en

cuenta los eectos de la variabilidad operacional en el

incremento de la demanda energética. La misma considera elimpacto de las paradas, los arranques, los cambios de carga,

el trabao a cargas parciales o con el equipo principal apagado

y el deterioro de condiciones técnicas que dependen deltiempo de operación, en la efciencia global del equipodurante un ciclo de operación t!pico.

Las dierencias entre el valor de la efciencia estacionaria y la

efciencia estacional de los equipos altamente consumidoresde energ!a es signifcativamente alta. "n el caso de

#


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generadores de vapor esta dierencia puede ser entre #$%#&

puntos, menores para la efciencia estacionaria que la

efciencia instantánea. Para los sistemas deacondicionamiento de aire las dierencias entre el '(P

instantánea y el )'(P estacional también son signifcativas ,ocurriendo que la cantidad de calor absorbido en elevaporador por unidad de energ!a eléctrica suministrada al

sistema, puede ser estacionalmente * veces inerior que en la

evaluación instantánea que entrega el abricante.

"sta situación conduce a una oportunidad de reducción de lademanda de energ!a trabaando sobre el incremento de las

efciencias estacionales de los equipos, con la ventaa

adicional que esta labor no requiere de grandes inversionespara los cambios tecnológicos en los mismos, sino de una

metodolog!a sistemática para la meora de su controloperacional.

Metodolog!a para el incremento de la efcienciaestacional mediante el control operacional deldesempeño energético.

)e requiere una metodolog!a espec!fca para implementar un

control operacional que incremente la efciencia energéticaestacional de los usos signifcativos de energia de una

empresa. "llo se debe a que las e+presiones t!picas dedeterminación de efciencia energética no pueden usarse para

el cálculo, ya que no tienen en cuenta la variabilidad de los

parámetros operacionales y del estado técnico delequipamiento sobre este indicador.

La metodolog!a propuesta permite controlar la variabilidad de

la demanda de energia de un equipo actuando sobre lasvariables operacionales y de gestión del mantenimiento que

impactan signifcativamente el consumo energético.

Los pasos metodológicos son los siguientes

#. -efnir un per!odo base.

*


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*. -efnir una muestra de datos m!nima correspondiente alper!odo base seleccionado.

. "stablecer las variables operacionales y demantenimiento signifcativas en el consumo de energ!a.

/. 0oma de datos&. 1iltrado de variables signifcativas2. 1iltrado de datos3. Linealización del modelo de comportamiento de la

demanda de energia en el uso signifcativo de energia.4. 5dentifcación de los criterios operacionales de control.6. )eguimiento y monitoreo de los criterios operacionales

#$. "valuación de resultados.

"efnicin del per!odo #ase

"l per!odo base es el periodo que se toma como reerencia

para establecer el nivel de variabilidad de la demanda

energética que se desea reducir y también el potencial al cualpuede ser reducido. "ste per!odo debe reear el

comportamiento c!clico del proceso para tener en cuenta la

inuencia de todas las variables potenciales sobre el consumode energ!a. Por eemplo para procesos en que la estación del

a7o inuye en la demanda, el periodo t!pico es un a7o.

8n elemento importante del per!odo base es determinar larecuencia de tiempo de los datos de este per!odo, pues de

esta recuencia depende el n9mero de datos potenciales de la

población total. ". Para una recuencia diaria de un per!odoanual, la población de datos es de 2&, pero para una

recuencia mensual es de #*. :eneralmente el control

operacional se realiza en una empresa en una recuencia

;oraria, por tanto la población de datos para este caso es de432$, pero también puede ser por turnos de trabao u otra

recuencia.

"efnir la muestra de datos m!nima.


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La muestra de datos m!nima es aquella cantidad de datos del

per!odo base que me permite obtener un modelo lineal

univariable o multivariable del comportamiento del consumode energia, que sea signifcativo con respecto a sus variables

independientes y con un nivel de confanza y de precisiónsufcientemente alto. 8na orma de estimar inicialmente unacantidad de datos que garantice estas condiciones es

determinar esta cantidad de la ecuación que determina el

error t!pico de un modelo < #=

8na vez obtenido el valor m!nimo de datos de la población delperiodo base seleccionada se defnen las variables

signifcativas que aectan el consumo de energia.

"eterminacin de las varia#les signifcativas $uea%ectan el consumo de energia.

Las variables signifcativas se clasifcan en

• Variables que no dependen de la operación y del mantenimiento Ej.

producción realizada; grados día de refrigeración, tipo de materia prima,etc…

• Variables que dependen de la operación y el mantenimiento Ej.

Relación airecombustible de un quemador; frecuencia del r!gimen de

purgas de una caldera de "apor; frecuencia de limpieza del filtro de

admisión de aire de un compresor de aire et…

/


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• Variables est#ticas Ej. $quellas que condicionan el consumo de energia

pero no "arían en el tiempo Ej. %ipo de motor &de baja eficiencia'; rpm

del motor &(ijas'; %ipo de luminaria; )ne*istencia de superficies

recuperati"as de calor &en calderas de "apor'; tambi!n pueden ser

condiciones operacionales limites por factores de seguridad oambientales operacional Ej. + de - de gases a la salida del orno

límites.La identifcación de estas variables se realiza por análisis

teórico del proceso que ocurre en el uso signifcativo de

energia a controlar.

&oma de datos

La toma de datos es una de las etapas más importantes yaque de ello depende la calidad y eectividad del controloperacional. Los elementos a tener en cuenta son

• /a cantidad mínima de datos a tomar es el "alor determinado de la

muestra mínima multiplicado por 01 y por un factor de seguridad que

me permita realizar un filtrado de datos estadístico posterior y

mantenerme en ese rango. - sea, la cantidad de datos a tomar puede ser2

n1 3 0134,05

• /os datos deben cumplir la cualidad que deben estar adecuadamente

distribuidos en todo el período de la población. 6i la población es de un

a7o, no deben estar concentrados al inicio o al final del a7o.• /os datos deben corresponder a la frecuencia de tiempo con que se

determinó la población.

• Es necesario tomar datos de2 todas las "ariables clasificadas como

independientes de la operación y del mantenimiento; todas las "ariables

clasificadas como dependientes de la operación y del mantenimiento.

'iltrado de varia#les signifcativas

La selección de las variables signifcativas se ;a realizado poranálisis del proceso, pero su confrmación requiere de aplicaruna prueba de ;ipótesis sobre si su inuencia sobre el

consumo de energia es realmente signifcativo o no.

Para esto se aplica la prueba de ;ipótesis denominada P%

value. "sta prueba consiste en determinar si la probabilidad

&


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de que las variaciones de la variable seleccionada no inuye

sobre las variaciones del consumo de energia, es nula o no.

'uando el valor de probabilidad es menor de $,$& seconsidera que la ;ipótesis es nula y por lo tanto la variable si

eerce inuencia.Para aplicar la prueba se utiliza cualquier ;erramientaestad!grao como ">'"L de ?icrosot (@ce, )0A0:BAPC5')

Plus


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Para fltrar los datos tomamos la inormación de consumo de

energ!a y de cada variable signifcativa que no dependen de la

operación y del mantenimiento # G m*F >* GHmn F >n G b

(btenemos el valor del error t!pico y del coefciente de

determinación r* de este modelo. "l error t!pico y el

coefciente de determinación pueden obtenerse aplicando elmétodo P%value anteriormente descrito, a los datos de

consumo y de las variables signifcativas involucradas en el

modelo.

"l proceso de fltrado de datos se realiza solo si el coefcientede determinación obtenido del modelo lineal es inerior a

$,3&, en caso contrario, indicar!a una relación muy uerte

entre las variaciones de las variables que no dependen de laoperación y del mantenimiento y las variaciones del consumo

de energia. )i esto ocurre el modelo lineal obtenido

representa adecuadamente el comportamiento lineal de lasvariaciones del consumo de energia con estas variables.

"n el caso que r*I$,3& se realiza un proceso de e+tracción dela muestra de aquellos datos reales de consumo más aleadosdel valor de consumo estimado seg9n el modelo lineal

obtenido. "l procedimiento para la e+tracción es comenzar

con una rontera superior e inerior de z veces el error t!pico

D G zF error t!picoJ D K zF error t!pico

D% valor estimado por el modelo de regresión lineal.

"l primer valor de z es un valor donde todos los datos de lamuestra se encuentren dentro de esa rontera.

Al reducir el valor de z se va estrec;ando la rontera ;asta

encontrar uno o más valores reales de D, que se salgan de la

rontera. "sos valores son eliminados de la muestra y con losvalores que quedan en la muestra se vuelve a determinar el

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'uera de primera %rontera

valor del coefciente de determinación r*. "ste proceso se

repite ;asta que ocurra cualquiera de estas condiciones

• El "alor de r0 89 1,:5

• El nmero de datos de la muestra disminuye a un "alor igual a no 3 01

(currida una de estas condiciones los datos que queden en la

muestra es la muestra de datos fltrada.

1ig. #. ?uestra del proceso de fltrado de datos

Lineali(acin del modelo de comportamiento de lademanda de energia en el uso signifcativo de energia.

'onocemos que el comportamiento del consumo de energia

en los procesos no es lineal, pero partimos de la ;ipótesis de

que puede ser linealizado.

La base de esta ;ipótesis radica en que generalmente todo

consumo de energ!a de un proceso estacional se compone deuna parte fa y una parte variable. La parte fa es aquella

parte del consumo que no depende de la variableindependiente de la operación o el mantenimiento, ". La

producción en un proceso productivo.

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"sta parte fa puede ser, en una l!nea de producción, la

iluminación, la ventilación, el consumo en vac!o de los

motores eléctricos, las pérdidas energéticas que no dependende la cantidad de producción realizada < perdidas por

traserencia de calor al medio, pérdidas por ricción=etcHLa parte variable del consumo de energ!a es aquella asociadaa la cantidad de producto realizado. "s la cantidad de energia

necesaria para trasormar una materia prima en un producto

elaborado o semielaborado y también la que se encuentra

asociada a las pérdidas que dependen de la cantidad deproducto realizado ". "nerg!a perdida en rec;azos,

reprocesos, etcH

La parte variable de la energ!a puede tener uncomportamiento no lineal, pero siempre podrá trasnormarse

matemáticamente como una constante multiplicada por la

variable, ya que la energ!a teórica requerida para transormaruna unidad de sustancia es generalmente constante, a unas

condiciones dadas, y los procesos productivos generalmente

se realizan a condiciones establecidas y estacionarias deproducción.

"sta ;ipótesis puede ser rec;azada o aprobada al utilizarmodelos estad!sticos de linealización que cuentan con

dierentes métodos para poder verifcar el grado deapro+imación del modelo al comportamiento real y la

capacidad de estimación del mismo en situaciones uera de la

muestra de datos, utilizada para establecerlos.

8na vez defnida la muestra fltrada de la inormación del

consumo de energia y las variables independientes de la

operación y el mantenimiento que inuyen signifcativamenteen las variaciones del consumo, se linealiza el modelo del

comportamiento de estas variaciones, utilizando el método de

modelo de regresión, ya que nuestro obeto es intentarpredecir el comportamiento del consumo de la energ!a a partir

de otras variables del proceso.

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Para aplicar el modelo de regresión lineal univariable o

multivariable utilizamos la ;erramienta P%value. "sta

;erramienta nos puede indicar los siguientes atributos delmodelo

• oeficiente de determinación del modelo r0, que me indica la magnitud

de la relación de los cambios de las "ariables independientes del modelo

con los cambios en el consumo de energia

• oeficiente de determinación corregido r0, que es una corrección a la

baja de r0 y que depende del nmero de datos utilizados para elaborar el

modelo y la cantidad de "ariables independientes que inter"ienen en el

mismo.

• Error típico del modelo que representa la medida de cuanto se separa la

estimación del consumo de energia del modelo para un "alor de las

"ariables independientes del "alor real del consumo.• oeficientes de regresión, que representan el coeficiente de las "ariables

independientes del modelo lineal y el "alor del inicio del modelo de

regresión. /os coeficientes de las "ariables independientes significan la

razón de cambio del consumo de energia por unidad de "ariación de la

"ariable independiente y el origen del modelo representa el incremento

fijo que sufre el consumo de energia o el consumo de energia base que

no depende del cambio de las "ariables independientes.

•


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La aplicación del método P%value y la verifcación de los

atributos del modelo de regresión lineal univariable o

multivariable nos lleva a una ecuación que representa elcomportamiento del consumo de energia con la variación de

las variables del proceso, que son independientes de laoperación y del mantenimiento del tipo general

'onsumo de energia unidad de tiempo E

• = consumo fijo de energía unidad de tiempo >

• ?4 consumo de energía por unidad de la "ariable independiente $43

unidades de $4 unidad de tiempo >

• ?0 consumo de energia por unidad de la "ariable independiente $0 3

unidades de $0 unidad de tiempo >

• ?@ consumo de energia por unidad de la "ariable independiente $@3unidades de $@ unidad de tiempo >

•

• ?n consumo de energia por unidad de la "ariable independiente $n3

unidades de $n unidad de tiempo.

"sta ecuación cuenta con atributos de coefciente de

determinación r* y una relación signifcativa no casual con las

variables independientes consideradas en el mismo.

"ste modelo obtenido debe interpretarse correctamente ya

que las variables independientes de la operación y del

mantenimiento utilizado para predecir el consumo de energiano son las 9nicas variables signifcativas que inuyen en el

consumo de energ!a. -eliberadamente no ;emos incluido en

el modelo las variables signifcativas que si dependen de laoperación y del mantenimiento y que seguramente pueden

tener una inuencia en el consumo de energia.

"l valor del coefciente de determinación del modelo puede

ser un indicador de cuanto pueden impactar el resto devariables no consideradas a ormar parte del modelo. )i el

valor de r* es $,4&, puede signifcar que el resto de variables

no consideradas en el modelo ;an inuenciado las variacionesdel consumo de energia en un #&M, mientras las

##


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consideradas, lo ;an ;ec;o en un 4&M. "sto signifca que la

dispersión del valor real del consumo de energia con respecto

al valor estimado del modelo se debe a la inuencia de lasvariables que si dependen de la operación y del

mantenimiento y que no ;emos considerado en el modelo.-ebido a que esta variabilidad del consumo de energia seproduce tanto al incremento del consumo de energia con

respecto al valor del modelo, como al decremento del mismo,

podemos identifcar cuando las variables que si dependen de

la operación y del mantenimiento ;an inuenciado para que elconsumo sea inerior al valor medio estimado, por aquellas

variables sobre las cuales no podemos actuar.

"sto nos pone en una posición de poder identifcar losparámetros operacionales y de mantenimiento que producen

a;orros de energia en el uso signifcativo de energ!a.

Identifcacin de los criterios operacionales de control

Los criterios operacionales de control son los l!mites en que

deben encontrarse las variables signifcativas del consumo de

energ!a que dependen de la operación o del mantenimientopara lograr un buen desempe7o energético.

"stos l!mites pueden encontrarse en manuales de operación,

recomendaciones del abricante o prácticas operacionalesimpuestas por operadores de mayor e+periencia, pero

recuentemente, los criterios utilizados para establecerlos no

son el buen desempe7o energético, sino, Nzonas de conortO

de operadores, criterios de seguridad o ambientales quepueden ya estar obsoletos y que pueden ser modifcados sin

impactar negativamente estos indicadores.

"n la práctica estos l!mites pueden encontrarse también delas operaciones de meor desempe7o energético que ;an

servido para elaborar el modelo lineal del comportamiento del

consumo. "stas operaciones son las que tienen valores deconsumo de energia por debao de la curva que representa el

modelo lineal obtenido.

#*


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0omando los datos de las variables que dependen de la

operación y del mantenimiento para las ec;as de las meores

operaciones y realizando un gráfco de control de las mismas,podemos obtener el valor medio y los l!mites operacionales en

que se movieron estas variables, estableciendo criteriosoperacionales para lograr un meor desempe7o energético.

* / & 2 3 4 6 #$&$

/$$

/&$

&$$

&&$

2$$

2&$

3$$

3&$


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1ig. . -eterminación de los l!mites de control operacional de

meor desempe7o energético para la variable presión dedescarga del compresor de polipropileno correspondiente a la

1ig. *.

"n el gráfco de la 1ig. se observa que la presión de

descarga del compresor, para todos los datos operacionales

que provocaron consumos de energ!a por encima del valorestimado del modelo, se encontró en el intervalo

Pdescarga E $,/4 G% #,44 barg

)in embargo, para las operaciones de meor desempe7oenergético

Pdescarga E *6,6/ G% #,/3 barg

"stablecer un criterio operacional de la presión de descargadel compresor de $ G% #,& barg podr!a traer un a;orro de

energia, que seg9n el modelo de consumo aplicado a las

meores operaciones, que podr!a ser de

A;orro E


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Seguimiento ) Monitoreo de los Criterios *peracionales

"l seguimiento de los criterios operacionales se realiza a

través de un gráfco de tendencia del desempe7o energético."ste gráfco es el que meor puede reear el comportamiento

de la efciencia estacional y de sus cambios en el tiempoindicando cuando un criterio operacional o de mantenimientopuede no ;aberse cumplido.

La tendencia del desempe7o energético se mide a través de

un gráfco de las sumas acumulativas, de las dierencias delconsumo real, con respecto al consumo del modelo de

regresión lineal, para el mismo valor de las variables

independientes que no dependen de la operación y del

mantenimiento, es decir para el mismo valor de las variablesindependientes del modelo.

)uma acumulativa E )uma


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%*$$$$

%#&$$$

%#$$$$

%&$$$

$

+rafco de tendencia del consumo del compresor posterior al control operacional

dias de trabao

QR; a;orrados

1ig. / :rafco de tendencia del consumo de energia delcompresor.

"n el gráfco se observa la tendencia del comportamiento del

consumo de energia, posterior a la implementación delcriterio operacional identifcado, con respecto al

comportamiento anterior, representado por el modelo de

regresión lineal, en unción de la variable toneladas deproducto comprimido.

)e observa que la pendiente del gráfco es casi constante lo

que indica que el a;orro diario también es prácticamente

constante, ya que se debe a una misma medida.

"n caso que el criterio operacional se deara de aplicar,

inmediatamente se ver!a reeado en un cambio de pendiente

de la tendencia. "l d!a en que ocurre el cambio de la

pendiente es el d!a en que probablemente ocurre el cambio

del criterio operacional. 8na corrección posterior del criteriooperacional también se ve reeado en el gráfco con la

recuperación de la pendiente del mismo.

"l valor fnal del grafco corresponde al valor del a;orro totalde energia que ;a conseguido el control operacional por la

#2


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aplicación del criterio operacional durante el periodo de

tiempo monitoreado.

,valuacin de resultados

La evaluación de los resultados del incremento de la efcienciaestacional del uso signifcativo de energia puede realizarse

mediante el resultado fnal del gráfco de tendencia. )in

embargo, lo que se espera es una estabilización del control

operacional de aquellas variables que dependen del operadory del mantenedor del proceso para que ese resultado sea

sostenible en el tiempo.

Pueden ocurrir en el proceso de control cambios en latendencia no e+plicados por los cambios en las variables

operacionales y de mantenimiento pre identifcadas. "sto

indicara que no ;emos sido capaces de preidentifcar todas

las variables que impactan signifcativamente en el consumode energia y requerirá de un nuevo análisis e incorporación y

validación de la nueva variable.

(tro resultado de la evaluación de los resultados es la

determinación de cuales variables de mantenimiento queaectan el consumo de energia deben implementarse y con

cual recuencia. "sta determinación se realiza a partir de

criterios económicos, cuando el impacto en el costo de laenergia de no ;acer la actividad de mantenimiento se iguala

al costo de realizar la actividad.

"l grafco de tendencia permite determinar el impacto

económico en costos de energia, de aplicar las medidas de

mantenimiento y ello puede compararse con el costo de laactividad de mantenimiento. La comparación de estos costos

permite conocer si es viable ;acerlo con esa recuencia, debeampliarse el per!odo de realización para reducir los costos o

defnitivamente no se debe realizar ;asta el mantenimiento

total ya que no es viable económicamente.

#3


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La evaluación de los resultados en el tiempo debe concluir con

el control total de la efciencia estacional de los equipos de

uso signifcativo de energia de la empresa y el má+imoaprovec;amiento de la energia con el menor impacto

ambiental asociado.

Conclusiones

"s importante la medición y control de la efciencia estacional

de los usos signifcativos de energia de las empresas, ya queesta efciencia es la responsable del gasto real de energia de

los procesos y servicios y su potencial de meora es

signifcativo, requiriendo para ello menores inversiones que

los cambios tecnológicos para el incremento de la efcienciaenergética.

La metodolog!a planteada para elevar la efciencia estacional

mediante el control operacional de los usos signifcativos deenergia de las empresas permite

• )dentificar los potenciales de mejora de la eficiencia estacional

mediante la reducción de la "ariabilidad operacional del consumo

energ!tico• )dentificar y establecer criterios operacionales y de mantenimiento de

las "ariables significati"as que impactan el consumo de energia para la

mejora del desempe7o energ!tico y el incremento sostenido de la

eficiencia estacional

• Realizar el seguimiento y monitoreo del cumplimiento de los criterios

operacionales establecidos y su impacto en la reducción del consumo de

energía.

• El control total de la eficiencia estacional de los equipos optimizando

los costos de las acti"idades rutinarias de mantenimiento que impactan

el consumo de energia.

-i#liogra%!a

4.


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0. )6-. 0144. )6- 51114. 6istemas de gestión de la energía A Requisitos

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#6
http://www.cenam.mx/http://www.cenam.mx/

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